Ville lunaire durable : le défi des matériaux face à un environnement extrême

Au-delà de l’annonce spectaculaire du fondateur de « SpaceX », la perspective d’une ville lunaire renvoie à une question centrale pour l’ingénierie spatiale : la capacité des infrastructures à fonctionner durablement dans un environnement extrême. La Lune constitue en effet un laboratoire naturel où se combinent des contraintes rarement réunies ailleurs : amplitudes thermiques majeures, flux radiatif élevé, impacts de micrométéorites, et régolithe très abrasif. Dans ces conditions, la fiabilité des matériaux et des systèmes devient un enjeu central.

Un environnement qui redéfinit le dimensionnement des structures

À la surface de la Lune, l’alternance des jours et des nuits lunaires provoque des variations de température particulièrement importantes, pouvant aller d’environ -133°C à plus de +12 °C (au niveau de l’équateur). Ce différentiel thermique d’environ 250°C se traduit par des dilatations significatives des structures. À titre d’exemple, pour un module habitable de 10 m de longueur, fabriqué en aluminium (coefficient de dilatation thermique linéaire : 23 × 10⁻⁶ °C⁻¹), l’allongement serait proche de 6 cm*. Par ailleurs, la répétition de ces cycles thermiques aboutit à la fatigue thermique qui réduit la durée de vie des structures.

À ces contraintes s’ajoute une exposition directe au rayonnement spatial. Dépourvue d’atmosphère et de magnétosphère, la surface lunaire reçoit un flux important de particules énergétiques. Les mesures de l’instrument « LND » embarqué sur le robot « Chang’E 4 » indiquent des doses annuelles de l’ordre de 500 mSv. Outre l’enjeu de la protection des astronautes, ces radiations peuvent altérer les matériaux utilisés, en particulier les polymères et certains composites, susceptibles de se fragiliser progressivement et de perdre en élasticité.

Une contrainte supplémentaire de taille réside dans le régolithe lunaire lui-même. Ce « sol » minéral, composé de particules anguleuses de plusieurs dizaines de micromètres et chargées électrostatiquement, adhère facilement aux surfaces. Son caractère abrasif favorise l’usure et la contamination des matériaux. Les scientifiques tentent de créer une solution potentielle à ce problème en développant un dispositif nommé Electrodynamic Dust Shield (EDS), capable de repousser la poussière lunaire grâce à des électrodes qui créent un champ électrique non uniforme autour de la surface protégée.

Le régolithe comme matériau de construction : solution concrète ou illusoire ?

Le régolithe lunaire est étudié comme matériau de construction potentiel dans le contexte de l’In Situ Resource Utilization (ISRU), qui consiste à exploiter les ressources disponibles directement sur la Lune afin de limiter les masses transportées à partir de la Terre et le coût correspondant. Transformé par frittage thermique ou par fusion partielle, il peut former des blocs ou des structures consolidées. Des essais réalisés sur des simulants de régolithe transformés indiquent des densités comprises entre 2,5 et 3 g/cm³, et une résistance moyenne à la compression de l’ordre de 30 MPa (comme dans le cas du frittage par micro-ondes ou par laser) – des valeurs dans le même ordre de grandeur que celles du béton conventionnel. Des expérimentations conduites par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) ont également abouti à la fabrication, par impression 3D, d’un bloc de démonstration de 1,5 tonne à partir d’un simulant de sol lunaire.

Outre son intérêt comme matériau de construction, le régolithe pourrait jouer un rôle de blindage protectif contre les radiations. Les études du centre de recherche NASA Langley estiment que 300 g/cm² de régolithe de densité 1,6 g/cm³ (correspondant à une couverture de près de 2 m) seraient nécessaires au minimum pour réduire l’exposition aux radiations à 270 mSv/an environ. D’autre part, une étude utilisant l’outil numérique « OLTARIS » propose l’utilisation de 160 g/cm² de ce même type de régolithe pour garder la dose effective des radiations en dessous de 150 mSv en 180 jours, ou d’un blindage multicouches avec aluminium et polyéthylène intégrés pour davantage d’efficacité. Néanmoins, de telles protections nécessitent la manipulation de plusieurs tonnes de matériaux par mètre carré d’unités construites, ce qui rend le défi autant logistique et énergétique que structurel. Même dans ces configurations-là, le niveau d’exposition resterait nettement supérieur à la limite annuelle moyenne de 20 mSv recommandée par la Commission Internationale de Protection Radiologique (ICRP) pour les professionnels exposés aux rayonnements ionisants.

Les matériaux fonctionnels : piliers invisibles d’une ville lunaire

Au-delà de la durabilité des structures et des matériaux de construction, l’autonomie énergétique reste une préoccupation essentielle. En raison d’une nuit lunaire d’environ quatorze jours terrestres, la production d’électricité de source solaire sur la Lune est intermittente. Les installations photovoltaïques doivent être alors combinées à des dispositifs capables d’assurer une alimentation électrique continue. Or les batteries lithium-ion, aujourd’hui largement utilisées pour le stockage de l’énergie dans les systèmes spatiaux, voient leurs performances diminuer fortement à basse température (inférieure à -20°C) si elles ne sont pas maintenues dans une plage thermique contrôlée.

D’où un autre défi majeur : la gestion thermique. En l’absence d’atmosphère, la dissipation de chaleur ne peut se faire que par rayonnement. Les équipements électroniques, les systèmes de stockage d’énergie et les modules pressurisés produisent pourtant une quantité importante de chaleur. Des radiateurs thermiques, associés à des revêtements optiques à forte émissivité ou à des matériaux à changement de phase, sont ainsi étudiés afin de stabiliser la température des infrastructures lunaires. Certaines recherches portent notamment sur des radiateurs « intelligents » intégrant le « VO₂ », un composé thermochromique capable de moduler son émissivité infrarouge et de réguler la dissipation de chaleur par rayonnement.

Enfin, les systèmes de support de vie reposent eux aussi sur des matériaux spécialisés. Des adsorbants solides permettent par exemple de capter le dioxyde de carbone de l’air intérieur, tandis que des membranes filtrantes et des catalyseurs interviennent dans les systèmes de recyclage de l’eau et de l’air. L’électrolyse de l’eau issue du système de récupération permet quant à elle la génération de l’oxygène nécessaire à la respiration.

Bien que l’efficacité de ces systèmes fonctionnels, utilisés dans les stations spatiales, reste à démontrer dans l’environnement lunaire, elle devrait constituer une partie intégrante de toute stratégie de construction autonome in situ.

* Allongement L = L ×  × T = 10 × 23 × 10^-6 × 250 = 0,0575 m (= 5,75 cm)